Protonun Tam Anlaşılamamış Özellikleri
Onlarca yıldır yapılan kuramsal ve deneysel çalışmalara rağmen proton ile ilgili hâlâ tam anlaşılamamış noktalar var. Bu yazıda protonun yapısı hakkında yakın zamanlarda yayımlanmış iki çalışmadan bahsedeceğiz.
Protonun Yapısı
Protonlar, hadron olarak adlandırılan parçacıkların örneklerindendir. Bu tür parçacıklar kuark olarak adlandırılan temel parçacıkların bir araya gelmesiyle oluşur. Bilinen altı tür kuark vardır: aşağı (d), yukarı (u), tılsım (c), acayip (s), alt (b) ve üst (t) kuarklar.
Atom çekirdeklerinde bulunan protonların yapısı kabaca şöyledir: Bir proton her biri +2/3 elektrik yüküne sahip iki yukarı kuarktan ve -1/3 elektrik yüküne sahip bir aşağı kuarktan oluşur. Bu yapının bir arada kalmasını dört temel kuvvetten biri olan “güçlü kuvvet” sağlar. Ayrıca kuarklar arasında elektriksel kuvvetler de vardır. Bu yapının durağan olduğu söylenemez.
İçkin Tılsım Kuarklar
Madde ve antimadde parçacıkları birbirini yok ederek enerjiye dönüşebilir ya da enerjiden madde ve antimadde çiftleri oluşabilir. Örneğin elektromanyetik etkileşimlere aracılık eden fotonlar yok olurken elektron ve pozitron üretebilir ya da elektronlar ve pozitronlar birbirini yok ederken fotonlar oluşabilir. Benzer biçimde kuarklar arasındaki güçlü etkileşime aracılık eden glüonlar da madde-antimadde çiftleri üretebilir. Örneğin bir glüon yok olurken bir alt kuark ve bir antialt kuark oluşabilir ya da bir tılsım kuark ve bir antitılsım kuark birbirini yok ederken glüonlar oluşabilir.
Zaman zaman oluşup yok olan geçici kuarklar da protonların yapısına katkıda bulunur. Parçacık hızlandırıcılarda yüksek enerjili protonlar ile yapılan deneyler sırasında sadece iki yukarı ve bir aşağı kuarktan oluşan yapılarla değil kuark-antikuark çiftlerini de içeren beş kuarklı yapılarla karşılaşılma olasılığı yüksektir. Uzun zamandır bilimsel tartışmalara konu olan bir hipotez ise tılsım-antitılsım kuark çiftlerinin de protonların yapısının önemli bir bileşeni olduğunu söylüyor.
Tılsım kuarklar acayip, alt ve üst kuarklara kıyasla daha düşük kütlelidir. Dolayısıyla düşük enerji seviyelerinde bile oluşup yok olma olasılıkları daha yüksektir. “İçkin tılsım kuark hipotezi”, protonların özelliklerini tespit etmek için yapılan deneylerin sonuçlarında tılsım-antitılsım kuark çiftlerinin de önemli bir payı olduğunu öne sürer.
İçkin tılsım kuark hipotezini destekleyen pek çok bilimsel çalışma var. Örneğin Dr. Richard Ball ve arkadaşları, yakın zamanlarda Nature’da yayımladıkları bir makalede, CERN’deki Büyük Hadron Çarpıştırıcı’da yapılan deneylerin sonuçlarını analiz ederek ve kuramsal hesaplar yaparak içkin tılsım kuark hipotezini destekleyen sonuçlara ulaştıklarını açıkladılar. Ancak deney sonuçlarındaki belirsizlikler göz önüne alındığında henüz hipotezin tam olarak doğrulandığı söylenemiyor.
Protonlar Ne Kadar Esnek?
Yukarı ve aşağı kuarklar, zıt yüklü oldukları için, harici bir elektrik alana maruz bırakıldıklarında zıt yönlerde hareket eder. Dolayısıyla harici elektrik alana maruz bırakılan protonlar, güçlü kuvvetin izin verdiği ölçüde esner.
Eğer protonların davranışlarını açıklamak için kullanılan kuramlar doğruysa, elektrik alana maruz bırakılan protonların esnekliği ile ilgili deney sonuçlarının kuramsal tahminlerle uyumlu olması beklenir. Ancak son yıllarda çeşitli araştırma gruplarının birbirlerinden bağımsız olarak gerçekleştirdiği çalışmalarda kuramsal tahminler ile deneysel veriler arasında uyumsuzluk tespit edildi. Bu çalışmaların en sonuncusu yakın zamanlarda Nature’da yayımlandı. Dr. Xiang Li ve arkadaşları tarafından yapılan bu son çalışmada, aşırı soğutulmuş sıvı hidrojenin üzerine yüksek enerjili elektronlar gönderiliyor ve atom çekirdeklerinden saçılan elektronlar üzerinde ölçümler yapılarak protonların elektrik alanlara nasıl tepki verdiği inceleniyor. Sonuçlar, elektronların enerjisinin görece düşük ve yüksek olduğu durumlarda kuramsal tahminlerle deneysel ölçümlerin uyumlu olduğunu gösteriyor. Ancak belirli bir enerji aralığında uyumsuzluk olduğu görülüyor. Deneyler, bu enerji aralığında protonların kuramsal tahminlerle beklenenden daha esnek olduğunu gösteriyor. Bu durumun iki açıklaması olabilir. Birincisi uyumsuzluk ölçümlerdeki, hatta belki de deney düzeneklerindeki hatalardan kaynaklanıyor olabilir. İkincisi, bugün doğru olduğu varsayılan kuramlarda eksiklikler ya da hatalar olabilir. En son yayımlanan çalışmadaki ölçümlerin hata payları daha önceki deneysel çalışmalara kıyasla daha düşük olsa da henüz net bir fikir edinilebilmiş değil. Gelecekte yapılacak daha kesin ölçümlerin de uyumsuzluğu doğrulaması hâlinde güçlü kuvvet hakkındaki bilgilerimizin gözden geçirilmesi ve güncellenmesi gerekebilir.
